[发明专利]非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人及运动建模方法

权利要求书

1.一种非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人，其特征在于：其包括电机、一对非圆齿轮、一对同步圆齿轮、两个偏心块和外部壳体，所述一对非圆齿轮包括主动非圆齿轮和从动非圆齿轮，所述电机的输出轴与主动非圆齿轮固定连接，从动非圆齿轮与同步圆齿轮中的一个连接，两个同步圆齿轮分别与两个偏心块连接，两个偏心块形状相同且保持对心旋转，所述外部壳体与管道内壁保持弹性接触，所述电机、两个非圆齿轮、两个同步圆齿轮以及两个偏心块的回转轴均通过轴承固定在一个内部振子上，内部振子置于外部壳体之内，内部振子通过第一弹簧和第一阻尼器与外部壳体的第一端连接，第一弹簧和第一阻尼器的受力方向与机器人移动方向平行，所述外部壳体的第二端安装有一个挡板，所述挡板与外部壳体通过第二弹簧和第二阻尼器连接，第二弹簧和第二阻尼器的受力方向与机器人移动方向平行，静平衡状态下，内部振子与挡板间存在一定间隙，所述非圆齿轮的传动比为

式中，i₂₁为从动非圆齿轮与主动非圆齿轮的角速度之比，ω₁、ω₂分别为主、从动非圆齿轮的角速度，n₁、n₂为主、从动非圆齿轮的阶数，为主动非圆齿轮的极角，i_j为从动非圆齿轮与主动非圆齿轮的阶数之比，i_j＝n₂/n₁，n为傅里叶级数的项数，a_n、b_n分别为各项的系数。

2.根据权利要求1所述的非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人，其特征在于：所述机器人壳体与管道内壁依靠弹性支撑足接触，所述弹性支撑足包括弹簧和滑靴；滑靴上设置有固定的套筒，外部壳体表面设置有导向杆，滑靴的套筒与导向杆间隙配合，弹簧置于滑靴和外部壳体之间。

3.一种用于权利要求1所述的非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人的运动建模方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、确定偏心块瞬时角度：

式中，为偏心块回转中心和重心的连线与从动非圆齿轮上最大向径的夹角；

S2、确定偏心块在机器人移动方向上的加速度：

式中，R为偏心块回转中心和重心间的距离，x₁为内部振子在机器人移动方向的上的位移；

S3、确定内部振子与外部壳体间的作用力：

式中，k₁为第一弹簧的刚度，k₂为第二弹簧的刚度，c₁为第一阻尼器的阻尼，c₂为第二阻尼器的阻尼，b为静平衡状态下内部振子与挡板间的间隙值，x₂为外部壳体的位移；

S4、确定外部壳体与管道间的摩擦力：

式中，μ为机器人支承足与管道内壁间的摩擦系数，N为机器人支承足与管道内壁间的支承力；

S5、分别构建内部壳体和外部振子的两自由度运动微分方程：

式中，α为机器人移动方向与地平面间的夹角，g为重力加速度，将式(2)，式(3)，式(4)和式(5)代入式(6)，可得到非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人运动模型。

4.根据权利要求3所述的非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人的运动建模方法，其特征在于，将非圆齿轮的相关参数代入式(6)通过数值计算能够得到管道机器人的位移和速度曲线，从而对机器人的位移和速度进行判断。

5.根据权利要求4所述的非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人的运动建模方法，其特征在于，将计算出的位移和速度数据代入式(3)，能够得到偏心块在机器人前进方向的加速度，将偏心块在机器人前进方向的加速度与偏心块质量相乘后，能够到偏心块在机器人前进方向上激发的惯性力。

6.根据权利要求4所述的非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人的运动建模方法，其特征在于，将计算出的位移和速度数据代入式(4)，能够得到内部振子对外部壳体的作用力。